图1 空心墩俯视图
Fig.1 Vertical view of hollow pier
黄志强1， 侯新宇1， 刘丹娜2， 王 巍2
(1. 沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870； 2. 中交路桥北方工程有限公司 总经理办公室， 北京 100024)
摘 要：针对贵州新田大桥某一薄壁空心墩在浇筑混凝土过程中内外模板的内力及位移是否满足国家现行规范要求的问题，应用数值计算软件ABAQUS进行建模并计算内力和位移，在浇筑过程中进行实时监测，将现场测得的位移与数值模拟结果进行对比.结果表明，模拟值与实测值有稍许偏差，但在合理范围内，证明模型具有一定的合理性；模板的对拉螺栓及横肋对整个结构的变形起到了很好的限制作用，提高了整个模板的刚度；内模板的受力相对于外模板较大，在设计和施工的过程中需要特别注意.
关 键 词：空心墩； 施工； 模板； 数值模拟； 混凝土； 温度应力； 位移； 侧压力
改革开放以来，随着我国工业化和城市化的迅速发展，城市与城市之间的连接更加紧密，但被山区环绕的偏远地区仍然很难与外界联系，此时跨山大桥就应运而生.在桥梁工程中，空心墩较为常见，其具有很多优点：
1) 为了减少圬工数量，在截面和自重已经足够承担及平衡外力的条件下，镂空中心部分；
2) 为了减轻墩身的自重，或保证地震时有较小的惯性力，或减轻软弱地基的负荷；
3) 空心墩能充分利用材料的强度，可节省材料，进而减少基础工程量.同时，空心墩还可以采用钢滑动模板施工，其施工速度快，节省模板支架，特别适用于高桥墩.
模板体系在各种混凝土结构施工中占有举足轻重的地位，往往影响着施工质量、速度和成本.同时模板的制作与安装质量，对于保证混凝土、钢筋混凝土结构与构件的外观平整和几何尺寸的准确，以及结构的强度和刚度等起到重要的作用.在混凝土浇筑过程中，模板所承受的是包括模板侧压力，浇筑混凝土时的冲击力，振捣时的振捣力及混凝土水化热所产生的温度应力.而这些力的合力应小于模板的屈服应力，并应有一些盈余，否则模板会产生较大的变形甚至发生爆模.
由于模板尺寸错误、支设不牢而造成的工程安全事故及工程质量问题时有发生，应引起高度重视[1].2004年8月16日，某局三公司开始用泵送混凝土浇捣附楼报告厅屋面，模板支撑系统为扣件式钢管满堂模板支架，在全部浇捣结束后，模板支撑系统突然整体坍塌，4名工人随之坠落；2006年8月29日，位于厦门某在建大桥的引桥及部分接线工程，在浇筑B标段左幅第十一联第一节段箱梁(跨径40 m)混凝土时，发生支架坍塌事故，多人受伤.因此，这就要求施工和设计人员在施工或设计时严格遵守国家规范.
国内外的模板数值模拟分析往往没有将温度的变化考虑进去，而由现场测试发现温度的变化很大，该部分产生的温度应力是不能忽略的.因此，本文对该空心墩进行现场测试及数值模拟同时加入温度场，然后对两者得出的结论进行对比，判断模板结构是否合理及得出一些有意义的结论.
1.1 工程概况
本文针对中交路桥北方工程有限公司新田大桥某一个薄壁空心墩进行研究.薄壁空心墩是“回”字结构，模板采用HPB300的钢，螺栓采用8.8级高强螺栓.内外模板的正面都是由四块小模板组成，侧面是由两块组成.墩身高6 780 mm，外模板总长5 700 mm，总宽2 680 mm；内模板总长4 500 mm，总宽1 500 mm.墩身模板安排在钢模板专业生产厂家制作，以保证模板的制作质量.模板制作完成，经检验合格方可出厂，运至施工现场，厚度为6 mm的钢板.正面外层模板有12个横肋，16个竖肋，侧面外模板共有6个横肋，8个竖肋.正面墩身混凝土设计为C40配比混凝土，正面外层与内层模板共用30个对拉螺栓，侧面外层与内层模板共用12个对拉螺栓.图1为空心墩的俯视图(单位：mm)，填充处为C40混凝土，中间处为空心.
图1 空心墩俯视图
Fig.1 Vertical view of hollow pier
1.2 现场测试
在考虑到空心墩的结构之后决定将空心墩的一半作为测试的对象，即空心墩的一个正面和一个侧面，通过在空心墩的全高布置JMZX-5006Am智能弦式数码土压力盒来测试在浇筑过程中的模板侧压力以及混凝土的水化热温度，对墩柱模板外侧的位移采用非接触式应变位移视频测量分析系统，将得到的数据进行汇总整理[2-3].
1.3 测试点的布置
沿墩高度布置13个JMZX-5006Am智能弦式数码土压力盒来测试模板侧压力和混凝土水化热温度，正面布置8个，正面沿模板长度方向布置两排压力盒，沿高度方向分布8个，分别在1、3、4、5 m处布置压力盒[4]，侧面布置5个，分别在1、2、3、4、5 m处布置压力盒.位移计共有两个，分别布置在正面中心和侧面中心处[5].
混凝土浇筑由晚7时10分到第二天2时05分，共浇筑6小时55分，从浇筑开始便对整个模板进行实时监控，利用压力盒每15 min测试一次侧压力及温度，测试24 h，直至测试完毕.对于位移传感器、电阻式应变计和非接触测试，直接利用电脑进行自动采集数据，观察变化.
1.4 测试结果
图2是将正面同一高度的两个压力盒所测得的侧压力取平均值后整理出的折线图.混凝土在浇筑过程中起始状态可以近似地看做液态，其对模板的压力可近似看成静水压力.但和水压力不同的是，这种压力仅仅是暂时性的，当混凝土自身逐渐能够承受这种压力时，侧压力逐渐消失.随着时间的推移，混凝土逐渐硬化达到半固态即初凝状态，最终达到固态即终凝状态[6].在混凝土起始浇筑过程中，当混凝土埋过1 m处压力盒的时候开始出现数据变化，随着时间的推移，混凝土浇筑高度的增加，侧压力逐渐增大达到最大值81 kPa，然后进入初凝状态，在浇筑6 h之后，侧压力开始减小.而之后3 m高处的混凝土也进入初凝状态，模板侧压力值达到最大值57 kPa.当混凝土自身能够承受其压力时，其侧压力逐渐消失.由图2可知，1 m高处的模板侧压力是最大的，满足了模板底部侧压力最大的理论[7].
图2 模板正面侧压力变化
Fig.2 Change of lateral pressure on positive side of template
图3为模板侧面侧压力变化.由图3可知，模板侧面最大的侧压力发生在1 m处压力盒测出的数据，为90 kPa.在浇筑过程中，随着时间的推移，混凝土没过1 m处的压力盒时开始出现数值，当浇筑6.5 h时，1 m处的压力盒达到最大值90 kPa，之后混凝土达到终凝，则侧压力开始逐渐降低，与此同时，混凝土开始发生收缩，靠重力使自身密实.到达最后侧压力相比其他高度的侧压力较小，其他高度处的侧压力曲线出现的规律与1 m处压力盒相似.
图3 模板侧面侧压力变化
Fig.3 Change of lateral pressure on lateral side of template
由于在大体积混凝土浇筑过程中水泥会产生水化热，从而产生温度应力.图4为混凝土的温度变化.从图4中可以看出，各段温度在起始段有个跳跃变化，并随着时间的推移逐渐改变.最大温差发生在桥墩底部1 m处，值为45 ℃，桥墩其余部位的温差大致约为30 ℃.整个桥墩有较大的温度变化，故温差带来的应力变化不能忽略，需在ABAQUS模拟中添加温度场.
图4 混凝土温度变化
Fig.4 Change of concrete temperature
使用位移计测得的正面外模板位移的折线图如图5所示.由于位移计设置在外模板正面的居中位置，所以起始段混凝土所引起的位移较小，随着时间的推移，混凝土浇筑高度越来越高，位移的变化也越来越大，直至到达峰值6.01 mm.由于混凝土达到初凝状态，自身逐渐能够承受其压力，位移开始逐渐变小，之后变为负值.
图5 空心墩模板位移
Fig.5 Displacement of hollow pier template
2.1 侧压力
由于我国混凝土浇筑侧压力的公式计算值偏低以及具有一定的局限性，故在《混凝土结构工程施工规范》(GB 50666-2011)中对《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041-2000)的混凝土侧压力公式进行了修改，把原来的系数0.22提高到了0.28，把侧压力值提高了27.27%，则新的混凝土侧压力标准值的计算公式[8-9]为
F=0.28γct0β1β2V1/2
(1)
F=γcH
(2)
式中：F为新浇混凝土对模板的最大侧压力；γc为新浇混凝土重力密度；t0为新浇混凝土的初凝时间；β1为外加剂影响修正系数；β2为混凝土坍落度修正系数；V为混凝土浇筑速度；H为侧压力计算位置至新浇混凝土顶面的高度.
当浇筑速度大于10 m/h时，或混凝土坍落度大于180 mm时，侧压力标准值即可按式(2)计算.
经试验获得的侧压力主要影响因素包括：1)最大侧压力随混凝土浇筑速度提高而增大，呈幂函数关系；2)在一定的浇筑速度下，因混凝土的凝结时间随温度的降低而延长，从而增加其有效压力；3)机械振捣的混凝土侧压力比手工捣实增大约56%；4)侧压力随坍落度的增大而增大，当坍落度从7 cm增大到12 cm时，其最大侧压力增加约13%；5)掺加剂对混凝土的凝结速度和稠度有调整作用，从而影响到混凝土的侧压力；6)侧压力随着混凝土重力密度的增加而增大.
2.2 水化热
水泥的水化热也称为硬化热，包括水化、水解和结晶等一系列作用.混凝土浇筑初期，产生大量的水化热，由于混凝土是热的不良导体，水化热积聚在混凝土内部不易散发，常使混凝土内部温度上升，而混凝土表面温度为室外温度，这就形成了内外温差，内外温差使混凝土在凝结初期产生的拉应力超过混凝土抗压强度，导致混凝土产生裂缝.同时，当混凝土达到最高温度后，热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度，在基础部位同样导致裂缝[10-11].
3.1 模型建立
ABAQUS建模参考设计图纸，在不影响最终结果的前提下进行了一定的简化.由于整个模板是结构对称，荷载对称，所以为了建模计算简便，建模时取一半的结构进行计算.模板和横竖肋等使用壳体单元S4R，螺栓和对拉螺栓使用实体单元C3D8R.模板所用壳体单元的厚度为6 mm，钢材的弹性模量为205 000 N/mm2，泊松比为0.3.由于对拉螺栓在真实结构中的作用较难模拟，所以将内外模板的对拉螺栓绑定在对应模板上.在混凝土浇筑过程中，整个模板中高度方向的螺栓受力较大，而水平方向的螺栓受力较小，故将水平面的螺栓省略，将对应的模板进行绑定.外模板在转角处有弧度的计算收敛度较好，而内模板在转角处是直角，计算收敛度相对较差，故将内模板转角处的网格密度加大，使网格更细，更易于计算.本结构共有12 640个单元[12]，模型如图6、7所示.
图6 空心墩模板外侧模型
Fig.6 Outer model for hollow pier template
图7 空心墩模板内侧模型
Fig.7 Interior model for hollow pier template
3.2 荷载及边界条件的施加
在浇筑过程中，模板除了会受到混凝土对模板的侧压力，还会受到振捣过程中所附加的影响以及混凝土浇筑时对模板的冲击力等.现场测试的侧压力数据是将这些额外的影响包括在内的.
将现场测得的模板侧压力数据整理后，并取各个位置的最大值，近似地将这些最大值施加在对应位置的模型上.由于边界条件是由很多螺栓相连接，比较复杂，为了建模和计算简便将其简化，在螺栓面上进行边界约束[13].
3.3 温度场施加
由于大体积浇筑的混凝土必然会产生大量的水化热，导致产生温度应力.由图4现场测得的混凝土温度变化曲线可知，在桥墩底部产生的水化热很大，将近70 ℃，温差将近50 ℃，表明此温度应力是不可忽略的.根据图4，在模型1 m高处添加一个20 ℃—5 ℃—20 ℃的温度场，在其他部位施加一个20 ℃—50 ℃—20 ℃的温度场来模拟混凝土内部水化热的温度变化[14].
4.1 内力及位移情况
应力计算结果如图8～10所示.从整体来看，内模板所受内力较外模板大，在设计和施工中需要特别注意.由图8～10可知，外模板中内力变化是渐变的，由上到下逐渐变大；正面模板所受内力较大，侧面相对受到的内力较小；内模板的侧面所受内力相对较大，且较集中.由于整个模板的最大内力为195.4 MPa，小于屈服应力为300 MPa的钢板，螺栓所受最大内力为320.5 MPa，小于8.8级高强螺栓的屈服强度640 MPa.钢板及螺栓都没有达到屈服强度，且有较大的剩余，故为了充分利用材料性能和节省成本，可对此模板进行一定的模板优化[15]以达到最佳设计，如减少螺栓数量，减少横肋或竖肋数量，减少对拉螺栓数量，改变钢板厚度等.
图8 外侧模板应力云图
Fig.8 Stress nephogram of outer template
图9 内侧模板应力云图
Fig.9 Stress nephogram of interior template
图10 螺栓应力云图
Fig.10 Stress nephogram of bolt
模板位移变化如图11、12所示.整个模板最大变形为6.23 mm，出现在内模板短边的中间处，变形较小满足规范要求.
图11 外侧模板位移云图
Fig.11 Displacement nephogram of outer template
图12 内侧模板位移云图
Fig.12 Displacement nephogram of interior template
4.2 现场数据和模拟结果对比
由现场测得的最大位移为6.01 mm，而ABAQUS模拟结果的位移为6.23 mm，误差率小于5%，误差在允许范围内.实测值和模拟值模拟良好，证明了该模型的合理性，同时表明ABAQUS模拟软件可以准确地模拟计算，在工程实际中可以运用该软件进行预测及防止危险的发生.
根据贵州新田大桥某一薄壁空心墩的现场情况，利用数值模拟软件对其进行了模拟，并在现场进行了实际测量，得到的结果与模拟结果相比，相差无几，证明了模型的合理性，以及ABAQUS对结构模拟并计算的准确性.因此，可在实际工程中运用该软件进行预测，以免危险的发生.
整个空心墩模板所受最大内力为195.4 MPa，小于模板的屈服应力300 MPa.螺栓所受的最大内力为320.5 MPa，小于其8.8级高强螺栓的屈服应力640 MPa.无论是模板还是螺栓，都没有达到其屈服应力，因此，为了充分利用材料和节省成本，可对该空心墩模板进行一定的优化，如减小螺栓数量，减少横肋、竖肋或者对拉螺栓的数量，改变模板厚度等.整个空心墩模板的最大内力处位于内模板的短边中心，此处较为薄弱，在设计和施工中应予以大力重视，同时，整个结构中环肋和对拉螺栓很大程度上提高了模板结构的刚度，限制其变形.
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(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)
HUANG Zhi-qiang1, HOU Xin-yu1, LIU Dan-na2, WANG Wei2
(1. School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. General Manager Office, China Communication North Road and Bridge Co. Ltd., Beijing 100024, China)
Abstract：Aiming at the problem whether the internal force and displacement of a certain thin-walled hollow pier on Xintian bridge in Guizhou meet the current national standard requirements during the concrete pouring process, the numerical calculation software ABAQUS was used to perform the modeling and calculate the internal force and displacement. In addition, the real-time monitoring was conducted in the pouring process, and the displacement measured in the construction scene was compared with the result of numerical simulation. The results show that the simulated and measured values have a slight deviation within a reasonable range. It proves that the model has certain rationality. The split bolts and cross ribs of the template have played a good effect on the deformation of whole structure and increase the stiffness of whole template. The stress of inner template is bigger than that of exterior template, and thus more attention should be paid on the design and construction process.
Key words：hollow pier; construction; template; numerical simulation; concrete; temperature stress; displacement; lateral pressure
收稿日期：2015-08-27.
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474050)； 辽宁省教育厅基金资助项目(201344089).
作者简介：黄志强(1971-)，男，黑龙江伊春人，副教授，博士，主要从事模板施工模拟等方面的研究.
doi：10.7688/j.issn.1000-1646.2016.01.19
中图分类号：TU 755.2
文献标志码：A
文章编号：1000-1646(2016)01-0109-06
*本文已于2015-12-07 16∶18在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1618.028.html